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基于有限元模拟分析的钛合金棒材连轧孔型优化设计

来源:小奈知识网
基于有限元模拟分析的钛合金棒材连轧孔型优化设计/段华等 ・ 157 ・ 基于有限元模拟分析的钛合金棒材连轧孔型优化设计 段华 ,朱艳春 ,叶立平 ,张赛飞。,秦建平 (1太原科技大学机械工程学院,太原030024;2太重煤机有限公司,太原030024; 3西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072) 摘要 针对两种钛合金棒材连轧孔型系统——“平三角一圆”孔型系列工和“平三角一圆”孔型系列Ⅱ,将025 rnln的TC4钛合金棒材在八机架Y型连轧机组上轧制成中15 mm的成品,基于对连轧过程的有限元模拟,结合钛合 金棒连轧生产中常见的耳子、扭转、圆度差等问题,进而对这两种连轧孔型系统进行对比优化,选择合理的钛合金棒 材连轧孔型系统以避免上述问题的产生,进而提高产品的形状精度和尺寸精度,并对工业生产起到一定的理论指导 意义。  .关键词 钛合金棒材有限元模拟连轧孔型优化设计 中图分类号:TG337.6 文献标识码:A Optimal Design of Groove During Titanium Alloy Rod Rolling Based on the Finite Element Simulation DUAN Hua ,ZHU Yanchun ,YE Liping ,ZHANG Saifei。,QIN Jianping (1 School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024;2 TZ Coal Machinery Co.,LTD,Taiyuan 030024;3 State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University.Xi’an 710072) Abstract For two kinds of pass system during titanium alloy bar continuous roiling,namely“flat triangle- round”groove series I and“flat triangle-round”groove series II,the TCA titanium alloy rod with diameter of中25 mm was rolled into the products with diameter of 15 mm on Y type rolling unit with eight frame.Based on the finite ele— ment simulation of rolling process,these two kinds of rolling pass system were compared combination with the com— mon problems of ears,torsion and roundness error during the titanium alloy rod rolling.Finally,the reasonable pass system was chosen in order tO avoid the above problems,and then improve the shape accuracy and dimensional accura— cy of products,which will produce certain theoretical guiding significance for industrial production. Key words titanium alloy bars,finite element simulation,continuous rolling groove,optimal design O 引言 引起流变应力下降,从而导致变形区的扩展。Damodaran和 Shivpuri[5]借助于有限元方法预测并控制了Ti64钛合金热 钛合金具有质量轻、耐腐蚀、超导、无毒、形状记忆和热 挤过程中的局部变形。Suwas等 研究了工业纯钛经过等 稳定等优良性能,被誉为“海洋金属”、“太空金属”、和“全能 通道转角温挤后的织构演变情况。李辉等_7 采用步进轧制 金属”,是当代推广应用范围最广的金属材料之一,被广泛应 工艺制备了Ti-6—22—22S合金棒材,并对加工、热处理、组织 用于海洋船舶、航空航天、生物医疗、冶金建筑和民生用品等 与性能关系进行了分析。杨英丽等邱 论述了PWS三辊行星 领域,钛合金棒线材具有很好的市场前景,其产品主要用于 轧机开坯轧制钛铸造棒坯的技术可行性。张新旺等_g 利用 高性能的飞机紧固件、汽车阀门弹簧与阀杆、公路赛车辐条、 有限元软件Deform-3D模拟分析了钛合金棒材三辊螺旋轧 眼镜架等,其传统的生产方式主要有热挤压、步进轧制、行星 制过程中应力应变情况及轧辊的载荷。为了改善钛合金棒 轧制、螺旋轧制和横列式轧机往复轧制[1 ]。娄燕等_4 采用 材金属组织的机械物理性能和加工工艺性能,本研究采用热 有限元软件分析计算了Ti一6Al一4V合金棒材挤压成型过程, 连轧技术生产小规格钛合金棒材,经生产实践验证,热连轧 经过与实验结果对比发现由变形而引起的温升显著,最高可 轧制工艺生产钛合金棒材是一种高效、连续、低成本的生产 达160℃,温升主要集中在挤压过程的前期阶段,由于温升 方式,同时,开发合理的钛合金棒材连轧孔型系统也尤为重 *国家自然科学基金(51501122);博士启动基金资助项目(20132016);省级大学生创新创业训练项目(2015288);校级大学生创新 创业训练项目(xj2014o75) 段华:男,1995年生,主要研究方向为先进轧制技术 E-mail:804430144@qq.eom朱艳春:通讯作者,女,1982年生,博士,讲师, 主要研究方向为难变形材料先进成形技术与损伤预测 E-mail:lzlzyc@163.corn ・ 158 ・ 材料导报 2016年5月第3O卷专辑27 要。本研究结合“平三角圆”孔型系列I和“平三角一圆”孑L型 系列U两种钛合金棒材连轧孔型系统,通过理论分析和AN— SYS有限元模拟仿真.进而对上述两种连轧孔型系统对比优 化,选择合理的钛合金棒材连轧孔型系统以应用于工业生 产。 变形,又存在轧制结束后轧件的弹性回复。因此,采用三维 弹塑性有限元法进行研究较为合适,轧件和轧辊单元类型均 采用8节点SOl ID164单元 一。 1 连轧孔型系统的建立 本次钛合金棒材连轧生产机组采用8机架三辊Y型轧 机,4;L ̄L布置为正Y倒Y交替布置,钛合金牌号为TC4.坯 料直径为25 nlm,经8道次轧制成直径15 mm的成品,两种 连. ̄L4L型系统分别为平三角一圆一平三角一圆一平三角一圆一平三 角一圆孔型和平三角一劂一平j角一圆一平三角一圆一圆一圆孔 型 ” 。其中“平二角一圆”孑L型系统I如图1所示。 图3连轧有限元模型 Fig.3 The finite element model for continuous rolling 2.2材料属性 连轧过程中,由于轧辊的变形可以忽略不计,因此有限 元分析时将轧辊定义为刚体材料模型;而轧制既发生塑性变 形又伴随着弹性变形,因此将轧件定义为双线性各向同性模 型,具体的材料属性参数如表l所示,其中钛合金棒材的材 料属性值为稳定轧制条件下的属性参数一 。 表1材料属性参数 Table 1 Material property parameters 图1 “平三角一圆”孑L型系统I Fig.1 The“flat triangle ̄round”groove system 2.3网格划分 将选取单元类型并赋予材料属性的有限元模型进行网 格划分,其中平三角孑L型中每个轧辊划分为2520个单元格, 圆三角孔型中每个轧辊划分为3000个单元格,轧件划分为 ’ ->Q 图2两种孔型系统的不同之处 Fig.2 The difference between“flat triangle-round”groove 1O12500个单元格,有限元模型网格划分如图4所示。 system I and“flat triangle—round”groove system 11 参j!《{大量钛合金棒材的生产数据,通过对连轧孑L型系统 进行多次优化改进,并对轧制过程进行有限元模拟仿真.在 不增JJ, ̄L制道次的基础上,两种孔型的最大区别之处在于第 七道次,也即成品前孔型分别为平三角孑L型和圆孔型,如图2 所示。 图4有限兀模型网格划分:轧件网格划分图(a);平三角孔型 轧辊网格划分图(b);圆孔型轧辊网格划分图(c) Fig.4 The meshing for finite element model:workpiece 2有限元模型的建立 连轧过程L}J,钛合金棒材被旋转的轧辊和轧件之fH】的摩 擦力拖拽进三辊Y型SL ̄JL的辊缝之中.轧件周向受到轧辊的 六向 缩,J :生减径、延仲等塑性变形,进而完成连轧轧制过 程。臆Jtltf:-线性有限元模拟软件ANSYS I.S-DYNA对钛合 金棒材 这两种孔型系统中的连轧过程进行模拟仿真,建立 的连轧模型如【皋】3所 。 meshing(a):roll with flat triangle groove meshing(b): roll with round groove meshing(c) 2.4初始轧制条件 有限元模拟开始时,给轧件一个初速度 一0.35 m/s, 以使轧件和轧辊发生接触。咬人后轧件的运动主要依靠轧辊 和轧件的摩擦。轧件与轧辊之间的接触定义为自动面对面 接触,轧件为接触【酊.轧辊为目标接触面。轧件和轧辊之间 2.1 单元类型 钛合金棒材连轧过程中,贶存在轧制过程 轧件的塑性 的摩擦符合库仑摩擦定律’车L件与轧辊之问的静摩擦系数设 为0.3,动摩擦系数设为0.28 。 基于有限元模拟分析的钛合金棒材连轧孔型优化设计/段 华等 ・ 159 ・ 3模拟结果与分析 3.1 钛合金棒材连轧过程的金属流动特性 研究钛合 捧材 连 ̄;L-/L lf1的金属流动特性是非常 重 的,因为它‘-j钛合盒棒材成 的组织 能、表面质 、尺 肯着十分密切的关系。坯料尺寸、金属的性能、连轧孔型结 构和轧制一 艺条件等不同.连轧时轧件金属的流动趋势和规 律也有很大的差蚌。在两币噜,钛合金棒材连轧孔型系统中,经 过三辊Y型连轧机组各机架轧制后的钛合金棒材横截面变 形图如图5和图6所示,(a)到(h)分别埘直的地第一机架副 第八机架。 寸精发和形状精度以及连轧孔型的没计合 性、轧辊寿命等 5“平t角圆”孔型系统I r Fig.5 The deformation process of titanium alloy bar O ■■■_ - 从『鬈】5和 6钛合金柞材横俄而变形l 的埘比if知:两 种孔型系统最大的 别 于最后州个道次 也即成 ^孔型和 系统轧制结束后轧什的横战【fI『变形网格对比盘¨ 7所爪。 经过对比・lf知,应选取“平 角一 ”孔, 系统I进行钛合金棒 材的连续轧制。 成 fj{_『孔型。 这两个道次中.“平■角一圆”孔 系统l 现 I了明 的耳子;“平=角嘲”孑L型系统I中第一h道次(成品前 3.2连轧结束后钛合金棒材形状和尺寸精度的研究 为r研究连轧孔型对钛合金棒材尺寸精度的影响,根据 对称性收轧件的1,/6.如图8(a)L{J的A—c区域所爪.也即取 处于辊底到辊缝之问6O。范fr,l内A、Ij、 i处的钛合金柞材 孔 )足平 们孔 ,钛合金棒材 其中的延伸性能明娃优 于网孔, 口.小易在辊缝处形成耳子。进而经最后一个道次 圆孔J 舰 轧件没 脱 子, 较灿 经两种连轧孔型 ・1 )・ 材料导报 2O16年5月第30卷专辑27 直 随ffl『l1_IJ的变化作为研究埘象。随后将I S—DYNA s()I VER求解器得剑的 “平三角 ”孔型系统I r 勺数据 导人到()rigin软件lII,得到 8(b)所示曲线。 7 两种连#L4L 系统轧制纳束后轧什的横械lf1『变形 格对比:“甲._三角圆”孔 系统T(a); “ 二角一圆”孔型系统ll(b) Fig.7 Comparison of the deformed mesh on cross section after rolling using!wo kinds of groove system:“flat lriangle roun(t”groovt、system J(a):“flat triangle-round” groove system ll(b) I矧8轧f F断IhfA径随SN'nJ变 ̄gIN:.指定点 卣 化 (a);整合II1I线【冬1(b) Fig.8 I'he diameter variation over lime on rolled piece section: “1 diameter location,1t specified point(a):tile integrated graph(I)) …1 八点币¨C 交卡苄化于辊底和I辊缝处,具仃对称性, 所以这 点处 径随I¨I'tl】变化的 线 图8(b)c 奉重合。 B点则始终位于辊呔干¨辊缝的中M过渡处, 点处的^径处 于Il台i 他 十I{对于憋个轧件具有代表性。罔8(1 )IIJ A、B、C 处/FL#-llf 随时 的变化曲线代表r轧件在 个轧制阶 段的变化趋势。轧制结 后备曲线趋于.条重合的 线,可 轧制结束后轧件 截面各处血径值差异较小,且钛合金棒 材成品圆截 随径变化范围为15.072~15.173 mm,相对于 成I Ill "1”:.论直径15 FIIIII.最大尺寸偏差为+0.173 mnl,满足 GB/'T702—2008规定的热轧 钢尺寸允许偏差最小值±0.20 E1E1;成品不 度为0.101 nm1, GB/T7O2~2008中热轧圆 钢小 度规定的最大值为公称商 公差的5() ,也即0.20 n n ,可知成品钛合金棒材的小圆度也满足要求.圆度较好。 4结论 (1)利用ANSYS/I  ̄DYNA 线性有 兀模拟软件,生 动H_ 观地腱肌f{J钛合金棒材 种连 ̄fL4L 系统中金属 的变彤流动特性,有利于检验连轧孔型系统的【lJ‘行性和不足 之处.进而反馈J}J于生产实践『tl连轧孔型系统的优化、改造 和升级。 (2)通过阴种连SL4L型系统中钛合金棒材轧制的模拟仿 真.发现作为成品iiHIL型,钛介金俸材在平一角孔型中的延 仲性能要明显优于圆孔型。川, 易在辊缝处形成不易{肖除的 子,因而经“平二角圆”连轧孔 系统J生, Hj的钛合金棒 材没有出现较为I 显的耳子, 且没有出现轧件扭转现象, 时义具有较好的圆度。 参考文献 1 黄水光.中Iq钛标准¨l()年[J].・I・ 有色金属学报,2O10,20(0辑 1):890 2 j 必龙.土【 宏.钛台金俸线材 产及『 场预测_J].稀有金属材料 工程.1998.27( t):248 3帅美荣.黄庆学.粲建平,等.钛 金怵材轧制成sfJ.Op究进展EJ].材 料导报:综述篇.201 2,26(2):l 1 1 { 娄热.钛合金热挤』K的自限元模拟[J].热加I.1 艺.2003(1)::39 5 I)inesh I)amodaran.Rajiv Shivpuri.Prediction and control of part dislortion during the hol exl rtlsion of titanium alloys[J].J Mater Process Te( lmol,2OO4,1 50 1 7() 6 Salyam Suwas,BeaI.ISir 13。 i'od1 I S.et a1. l'exture evolution in commercially ptlrt?titanium after warm equal channel allg,Lllar exI ru  ̄ion[J].Acta M tier.2011,59:1 121 7李辉,赵永J人.1Il】恒赫,等.Ti 6 22 22S合金少进轧删I:艺加工棒利 研究[_I].钛1 、J 进展.2004,2l(6):1 9 8杨蜒咖.赵彬. :航怀.等.钛林线材娥流程制备新技术[J].钛:I 进展.20()9.26(6):35 9张新¨ 土 ,父晓炜.钛合 傩制三辊螺旋轧制成形数值模拟 [J].锻膻技术.2011,36(1):61 10朱峰.计波.米益糯.等.T(、1钛合金棒材热连4L 1:艺研究[J].稀 r金属材料 i 氍.2()08.37(增rq:{):277 1 1帅荚荣.条建 . i角网孔J 连轧钛合仑棒材的彳『限 分析 试 验研究EJ]。则代制造11程,20O8(3):l()2 1 2洪慧平.康水林.件、线型材轧制过程的计算机模拟仿真IJ].轧钢, 2()O4,21(3):3 ) J 3离秀华.李小荣.邱辟林.等.I'QF 辊连轧僻机轧制过程的有限 厄分析[J]. :I:氍学报,20O9.1 6(0):107 1 r1张小 .陈 .Jlll{家林.热连轧 钢成 V,YL型的彳f 厄分析EJ].武 汉科技大学 :{}i.2010.33(4):3 

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